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蛋白质3D照片有望为眼部治疗绘制新“战略图”—上科大iHuman研究团队揭示首个卷曲受体三维结构成果再登《Nature》

[source]: [the author]:Admin [date]:2018-08-23 [Views]:627

2018年8月23日 - 上海科技大学iHuman研究所的科研团队在人体细胞信号转导研究领域再获重大突破,成功解析了首个人源卷曲受体(Frizzled-4)三维精细结构,揭示了卷曲受体在无配体结合情况下特有的“空口袋”结构特征,及其有别于以往解析的GPCR的激活机制。北京时间8月23日凌晨,该成果以“Crystal structure of Frizzled 4 receptor in ligand-freestate”为题,在国际顶尖学术期刊《Nature》上在线发表。值得一提的是,该研究是上海科技大学iHuman研究所继2016年、2017年、2018年年初在国际上首次发表大麻素受体(2016年10月《Cell》、2017年7月《Nature》)、人源胰高血糖素样肽-1受体(2017年5月《Nature》)及五羟色胺2C受体三维结构(2018年2月《Cell》)之后在GPCR结构功能研究领域的又一项高水平、系统性的研究成果。

该研究由iHuman研究所PI、生命学院助理教授徐菲课题组以及iHuman研究所赵素文课题组、美国Van Andel研究所等合作单位共同完成。徐菲为论文通讯作者,徐菲课题组博士后杨仕璠为论文第一作者,上科大为第一完成单位。

人体细胞表面分布着许多G蛋白偶联受体(GPCR),其功能相当于细胞的“信号兵”。这些“信号兵”负责细胞间的信息交流,进而广泛参与人体生理或病理状态的调节。它们与人们的日常生活密切相关——比如眼睛能看到灿烂的阳光,鼻子能闻到花朵的芬芳,舌头能尝到食物的酸甜苦辣,其失调将导致疾病的发生。因此,GPCR是药物研发领域的“宠儿”,目前市场上超过30%的在售药物都以GPCR为靶点。

卷曲受体(Frizzled)由于结构上具有七次跨膜螺旋的保守性被通常认为是一类非典型的GPCR,包括了Frizzled1~10十个成员,负责介导细胞中控制发育的基本信号通路——Wnt信号通路。因此,卷曲受体与组织内稳态、胚胎发育、血脑屏障的生成密切相关,其异常表达调控与多种人类疾病包括癌症有关,是一类新兴的癌症治疗靶点。其中Frizzled4对维持血脑屏障/血眼屏障的完整性发挥至关重要的作用,调控Frizzled4/Norrin通路中相关蛋白的表达能调节血脑/血眼屏障的开关,这为药物小分子进出大脑提供了精密的调控方案。“当时选择Frizzled4受体来研究,就是因为这个受体的结构独特性和重要生物学功能吸引了我,尤其是在眼部视网膜病变等病理过程中的关键作用。”杨仕璠说,“我的微信头像是一个漂亮的眼球图案,就是代表了我做的研究”。

近年来新报道的GPCR结构层出不穷,为相关生物学功能研究和药物设计带来了重要的发展。然而对十个卷曲受体跨膜结构域的了解仍然是空白,而这一结构域正是受体参与激活信号通路和药物针对位点的核心区域。

该项工作的主要困难和挑战在于:以往发表的GPCR结构通常都有一个或多个配体分子用于稳定受体的活跃位点,使得蛋白更加稳定易于结晶;而该研究中的卷曲受体Frizzled4缺乏这样一个能够用来稳定蛋白的配体分子,因此要想获得稳定的蛋白和高质量的晶体就非常困难。“为此,我们花了近三年时间反复筛选蛋白的表达载体和结晶条件”,徐菲说,“这一难点恰恰也成为了我们这个研究工作的一个亮点,我们报道的这个卷曲受体结构成为已知的第一个真正意义上空口袋(即结合口袋里没有配体)的受体结构(apo结构)。这为基于结构的药物设计提供了重要的研究基础。”

2017年初,面对三年探索后仍然苦无进展的课题,以及博士后出站时间将近的压力,论文第一作者杨仕璠必须作出艰难的抉择:是继续苦战一年可能依然一无所得,还是选择放弃?他坚定地选择了坚持。他的坚持是值得的,在不懈的努力、尝试、失败、和创新中,课题进展很快峰回路转,终于在2017年7月看到了接近2埃分辨率的漂亮的晶体衍射图案。之后的结构解析、论文撰写等过程顺利展开。“论文的评审过程并不顺利”,论文经历了两次大的修改包括大量新的实验数据的补充。“这一过程中,我要特别感谢我们的合作者的大力支持以及对论文修改的建议”,徐菲说。

该项研究报道了首个卷曲受体(Frizzled4)跨膜结构域的精细结构,填补了这一空白。有趣的是,研究者发现解析的这个结构中的配体结合口袋是空的;经一系列结构分析和分子动力学模拟研究,证明这个口袋异于典型的GPCR,这颠覆了传统意义上对GPCR的认识,因此,研究团队提出,针对卷曲受体的药物设计需要寻找新的切入点。进一步地,研究者通过长微秒尺度的分子动力学模拟和一系列突变与信号通路功能实验,提出了大胆的假设:即Frizzled4以及其他的卷曲受体可能不是通过典型的GPCR激活构象变化来传递信号,其激活机理值得进一步探索。

该项工作从开始到发表历时四年,由徐菲课题组的博士后杨仕璠完成Frizzled4晶体结构解析的主要工作,他同时也是本论文的唯一第一作者。iHuman研究所的赵素文和水雯箐课题组参与了结构分析、论文讨论等相关方面的工作。吴屹然助理研究员通过分子动力学模拟等方法深入分析了Frizzle4的口袋结构特征并预测了同家族其他卷曲受体的共有特征,吴屹然是本论文的第二作者。美国Van Andel研究所的合作者Karsten Melcher和Eric Xu团队提供了重要的功能实验数据支持和关于卷曲受体及Wnt信号通路生物学方面的有益探讨。该项研究同时获得了国家自然科学基金委、科技部及上海市政府的经费支持。

iHuman研究所执行所长刘志杰教授对该成果的获得十分欣喜:“该项研究成果完全由徐菲等青年PI领衔完成,表明上科大iHuman研究所培养年轻人才的生态系统已初见成效。同时,研究所在过去3年中能够连续发表高影响力的研究成果,得益于研究所高水平公共服务平台的鼎力支持”。

2016年4月15日,国务院发布上海科创中心建设方案,明确指出上科大在上海张江综合性国家科学中心建设中承担重要任务。目前,学校正与中科院上海分院科研院所等单位合作,负责或参与建设软X射线自由电子激光用户装置、活细胞结构和功能成像等线站工程、超强超短激光实验装置、上海光源二期线站工程,牵头硬X射线自由电子激光装置的建设,并承担多项科创中心建设重点工作。截至2018年8月,学校的五个学院、三个研究所已经建立了157个研究组,科研工作全面开展,例如研发出基于电子晶体学的手性确认新方法(2017年5月,《Nature Materials》)、五羟色胺2C受体三维结构解析(2018年2月,《Cell》)、人源大麻素受体结构解析(2017年7月,《Nature》;2016年10月,《Cell》)、人源胰高血糖素样肽-1受体晶体结构解析(2017年5月,《Nature》)、利用光能在室温下把甲烷一步转化为液态产品(2018年7月,《Science》)这样的高水平科研成果正在不断涌现,值得一提的是,建校五年来,随着良好科研氛围的逐步形成、高水平科研平台的建设和海内外优秀人才的汇聚,上科大的科研工作正在呈现“加速度”产出的态势。2018年已以第一完成单位在《Cell》、《Nature》、《Science》上都有重要成果发表,这些科研突破也是上海科创中心在基础科学研究方面的又一批重大成果。

论文链接:http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0447-x

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Frizzled4受体结构侧视图以及狭窄的配体结合口袋展示

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iHuman研究所青年PI,生命科学与技术学院助理教授徐菲

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Frizzled4蛋白浮于眼球视网膜表面的艺术展现图,以展示Frizzled4在视网膜血管再生,以及维持血眼屏障完整性方面的重要生物学功能。该图由Julie Liu设计并绘制